陶瓷内衬复合钢管生产工艺研究

摘要：通过对陶瓷内衬复合钢管生产过程中离心机转速、原材料中添加剂种类的组合、铝热剂和基体钢管重量之比及基体钢管厚度以及自蔓延反应完成后保温工艺等一系列生产工艺的研究，总结出合理生产工艺流程，生产出内衬陶瓷致密度高、无裂纹的陶瓷内衬复合钢管。

关键词：离心机转速；添加剂种类；生产工艺研究

前言

在当今现代化工业的迅猛发展过程中，对各种管道的需求量逐渐增大，对其性能要求也越来越高，由于磨损、腐蚀或冲击等原因，每年会有大量管道损坏报废，造成巨大的经济损失。世界冶金学家普遍认为:自蔓延高温合成方法使陶瓷和金属有机地结合起来形成同时具备高耐磨、耐蚀、耐高温、耐机械冲击及热冲击的复合管材，将推动化工、冶金、矿山、电力、石油等许多行业的发展。北京科技大学最早开发了利用自蔓延高温合成法(SHS)工业化制造陶瓷内衬钢管的技术。但目前，我国烧制的陶瓷内衬复合钢管，均是在有一定壁厚的基体钢管中烧制成功，在大口径、薄壁钢管烧制过程中如何解决陶瓷的致密度低、易出现裂纹等问题将是我们新工艺的挑战。

1、制备原理

Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+836kJ/mol(1)

将Fe2O3和铝粉按一定比例均匀混合装入钢管后,固定在离心机上,待离心机转速达到一定值后将反应物点燃,便发生式(1)的燃烧反应，式(1)反应的燃烧温度达3428℃,高于生成物Al2O3和铁的熔点,使生成物瞬时熔化。采用康斯坦丁诺夫公式确定离心机的转速,

见式(2) n=55200B/(Crg)-1/2(2)

式中:n--离心机转速,r/min；

g--重力加速度,m/s2；

r--钢管内半径,m；

C--陶瓷层密度,kg/m3；

B--调整系数,陶瓷内衬复合钢管B=1.0-1.3。

熔融态生成物在离心力作用下,可根据其密度不同而相互分离，铁的密度(7800kg/m3)比Al2O3密度(3970kg/ m3)大,因而铁层紧靠钢管表面, Al2O3在最里层冷却之后形成了Al2O3陶瓷内衬复合钢管。图1是离心SHS工艺原理示意:

陶瓷内衬复合钢管从内到外由陶瓷层、过渡层和钢管层组成。从内到外分别为刚玉瓷层，以铁为主的过渡层，以及外部的钢管层。它具有抗磨损、耐高温、高的硬度和强度，并且抗热冲击的性能，陶瓷钢管外层是无缝钢管，内层是刚玉。刚玉层硬度高达HV1100-1400，相当于钨钴硬质合金，耐磨性比碳钢管高20倍以上。

2、生产工艺研究

通过对离心SHS技术的研究表明，问题主要集中在以下两个方面,即内衬陶瓷层致密化与陶瓷层产生裂纹。 在长期实践及实验过程中，我们主要做了以下几方面的工作：

2.1提高自蔓延高温合成陶瓷衬管致密度

用离心自蔓延高温合成法制得的陶瓷内衬层一般存在较多的孔隙，有部分孔隙甚至贯穿整个陶瓷层。它对陶瓷衬管的耐腐蚀性、耐热性和耐磨性等性能有重要的影响。

研究发现,在铝热剂中加入适量Na2B4O7 可明显提高陶瓷层致密度,降低孔隙率。Na2B4O7对孔隙率的影响如图2 所示.

Na2B4O7添加量低时，孔隙率随添加量的增加而迅速降低，但添加量过高时, 孔隙率略有上升。其原因如下:在制备陶瓷内衬复合钢管过程中，热量主要通过两个方向散失，即沿径向通过钢管向外散失和由钢管内孔散失，前者为主要的散热方向。在一般冷却条件下，开始时由于钢管基体大量吸热使得靠近钢管的陶瓷熔体首先结晶。随着α-Al2O3结晶潜热的释放，使得靠近钢管基体的液态陶瓷温度下降减缓，使部分气体的排出由于内表面的凝固而受阻，未排出的气体滞留在内表面层以下，在该区域易形成“多孔区”。添加适量的Na2B4O7后， “多孔区”随之消失。因此添加Na2B4O7孔隙率显著降低,改善内表面光洁度。但Na2B4O7 分解吸热使反应体系温度降低，缩短了离心涂敷过程中的液相停留时间，使气泡没有充分时间逸出，因此加入量过多时孔隙率反而有所提高。

总之，经我们不断实践证明，加大离心力，使转速在每种管径生产过程中达到一个临界点的同时在铝热剂中同时添加SiO2、长石、Na2B4O7添加剂，可以明显提高陶瓷层的相对密度

2.2降低自蔓延高温合成陶瓷衬管裂纹

制造出陶瓷层无裂纹的陶瓷内衬复合钢管是技术成功与否的关键。通过实践观察发现陶瓷层中有两类裂纹，网状无规则张裂纹和压缩裂纹。利用SHS铝热- 离心法制备时，Fe2O3和Al发生反应放出大量热量,使得产物Al2O3处于熔融状态，随后凝固收缩，而钢管由于受反应放热的影响也发生热膨胀，然后冷却收缩。两者膨胀收缩的差异造成了裂纹的萌生。适当控制钢管壁厚、直径和铝热剂加入量之间的关系（料管比和基体钢管壁厚）可调整间隙量和压应力大小，从而控制裂纹的萌生。

研究发现，为防止陶瓷层产生裂纹，必须严格控制陶瓷层的冷却速度和基体钢管的膨胀状态。可以通过提高料管比、涂层厚度(δ)和预热温度来实现。料管比是指母管内铝热剂量与母管重量之比(Rψ)，Rψ增大，则反应时释放热量增加，钢管温度升高，降温时间延长，有利于减小陶瓷层中的张应力和压应力。δ增大，则基体钢管冷却速度减慢，基体钢管升至最高温度的时间提前，有利于陶瓷层中产生的应力由张应力向压应力转化。

3、小结

通过陶瓷内衬复合钢管的生产研究发现，只要做好以下几点，即可获得内衬陶瓷致密度高、无裂纹的复合钢管：

1、在铝热剂中添加合适的添加剂；

2、生产过程中控制合理的离心机转速；

3、掌握好每种管径生产中铝热剂的重量和基体钢管的重量的比例和基体钢管的厚度；

4、自蔓延反应完成后对产品适当保温，降低陶瓷内衬复合钢管的降温速度。

参考文献

【1】殷生. 自蔓延高温合成技术和材料[M] . 北京:冶金工业出版

社,1995 ,117～160。

【2】仝建民,李继红,王春. 添加剂对静态铝热自蔓延高温合成陶瓷涂层影响的影响[J ] . 机械工程材料,1996 ,20 (3) :36～39。

【3】王克智, 光. 离心SHS 陶瓷内衬复合管的微观结构和性能研究. 硅酸盐学报, 1995, 25 (3) :286～ 290。

【4】李纹霞、赵赤云、郭志猛、殷生 陶瓷内衬复合钢管径向压溃强度分析 .北京科技大学导报 2000，(3):238～241。

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